Reportage: Så testas effekten i elbilar

Premium Eftersom elbilarnas effektivitet behöver en standardiserad mätmetod har Münchens Tekniska Universitet skaffat sig en Tesla Model 3 samt en Volkswagen ID.3. Resultaten av de första testerna kan du läsa om här, exklusivt i auto motor & sport.

Reportage: Så testas effekten i elbilar

Även om det gjorts mängder av omfattande tester av både Tesla Model 3 och Volkswagen ID.3 finns det utrymme för fler.

– Vi har redan samlat på oss stora datamängder om bilarnas räckvidd och laddningsstrategi, nu väntar ingående tester av battericellerna, förklarar Markus Lienkamp, professor i fordonsteknik vid Technische Universität München (TUM). Där skaffade man elbilarna för att utveckla en standardiserad mätprocess.

– Vi fokuserar dock inte på en direkt jämförelse mellan två produkter, betonar projektledaren Matthias Steinsträter.

Hans kollega Nikolaos Wassiliadis, chef över avdelningen för elektriska drivlinor, inflikar:

– Vi vill hellre upptäcka optimeringspotentialen för att kunna förbättra de kommande elbilarna och göra elbilslivet ännu mer attraktivt.

Intrycket man får är att det ändå rör sig om ett jämförelsetest, även om det är en jämförelse på akademisk nivå. Duellen mellan den eviga ettan från Amerika och den tyska nykomlingen är helt enkelt lite väl talande, eller? Framför allt när duellanterna kommer med näst intill identiska batteridimensioner.

– Den beräknade nettokapaciteten för bilarna hamnar runt 55 kWh, bekräftar Steinsträter, men först och främst vill teamet hitta ett svar på den viktigaste frågan för elbilsintressenter: Hur långt kommer man i en Tesla eller Volkswagen under ideala förhållanden? 

För att svara på det har man tagit fram olika profiler: en stadsprofil där man kör 8,06 km med en genomsnittshastighet på 25 km/h, en landsvägsprofil med en snitthastighet på 50,6 km/h på en sträcka av 20,05 km samt en 35,12 km lång motorvägsprofil som körs i 93,7 km/h.

Eftersom man vill få en så bred databas som möjligt avverkas profilerna flera gånger. För de olika försöken har man beräknat rullmotståndet via frirullningsmanövrar och dessutom tagit fram räckviddsuppgifter enligt WLTP- och NEDC-cykeln. Likaså kan man härma de enskilda körprofilerna med hjälp av en körrobot i labbmiljö.

Båda bilarna avverkar de olika körcyklerna på institutets egen rullande landsväg för att eliminera trafikflödets påverkan.

Och hur ser resultaten ut?

Tesla gör som förväntat mycket bra ifrån sig, medan Volkswagen ID.3 enbart kan briljera i landsvägsprofilen vid 15 graders yttertemperatur, vilket beror på bilens lägre rullmotstånd. Motståndet borde dock rimligtvis vara likadant i 30 grader, eller?

Problemet här är Folkans NMC-batteri som tål lägre temperaturer än den amerikanska konkurrentens och därför kräver mer kylning. Apropå temperatur: för våra duellanter är det i det närmaste irrelevant om termometern visar 15 eller 30 grader. Det enda undantaget är temperaturer under noll grader Celsius.

En rad försök med Teslan i yttertemperaturer på -8, 2, 7 och 28 grader Celsius visar en differens på runt 40 procent (motorvägsprofil, 16 mot 27 kWh/100 km). Försöksraden har däremot inte körts med den tyska konkurrenten än. 

Däremot är elbilarnas absoluta räckvidd på en liknande nivå, vilket kan ledas tillbaka till Volkswagens lägre rullmotstånd samt Teslans lägre luftmotstånd. Dessutom är tillverkarnas egna uppgifter inte alls några fantasisiffror utan ligger förvånansvärt nära verkligheten.

VW ID.3 slår Model 3 endast i landsvägsprofilen vid 15 °C, annars vinner Tesla. Temperaturskillnaden spelar praktiskt taget ingen roll.

Men varför har då den mindre och svagare ID.3 inte bättre räckvidd än Model 3? Den amerikanska sedanen lämnar trots allt 239 kW och har en toppfart på 225 km/h medan 125 kW starka ID.3 har en elektronisk fartspärr vid 160 km/h.

Synar man batteritemperaturen i motorvägsfart blir det dock solklart ganska snabbt: Teslas batterier tål generellt högre temperaturer och kräver därför mindre energi för kylningen. Medan Teslas batteritemperatur stiger i det närmaste linjärt till 42 grader under en tre timmar lång motorvägskörning, aktiveras Volkswagens kylsystem redan efter 45 minuter vid en batteritemperatur på runt 33 grader. Tysken försöker även att hålla temperaturen konstant vilket resulterar i en allt annat än linjär momentkurva. 

Under hög belastning jobbar elmotorer mycket effektivt och ju starkare motor, desto effektivare är den. Men även här finns ett undantag: från 130 km/h minskar VW-motorns effektivitet på grund av ett ökat kylningsbehov.

– Tesla använder sig av modernare elektronik, bland annat en växelriktare med kiselkarbidteknik. Volkswagen å andra sidan använder sig av en inverter med IGBT-teknik (Insulated Gate Bipolar Transistor), berättar Steinsträter.

Batteriernas nettokapacitet ligger på runt 55 kWh. Tesla Model 3 startar med betydligt högre effekt än tysken, men minskar effekten märkbart allteftersom. Ändå laddar Model 3 mycket snabbare än VW ID.3.

Med hjälp av diagram förtydligas Teslalösningens högre invertereffektivitet. Hos Volkswagen ser vi däremot en mer konstant verkningsgrad i de lägre varvtalen. Diagrammen har för övrigt sitt ursprung i körning på en rullande landsväg. Medan hastigheten bestäms av rullen simuleras olika lastscenarier av körroboten.

Hos Tesla är verkningsgraden 97 procent under full belastning, medan Volkswagen får se sig slagen med en verkningsgrad runt 93 procent.

– ID.3 fungerar helt enkelt bäst i ett varvtalsområde mellan 8 000 och 10 000 r/min, berättar Steinsträter. Det är dock inget föraren kan påverka aktivt. 

Betyder det att ID.3 redan är föråldrad?

– Volkswagen har kommit Teslas teknikförsprång väldigt nära på väldigt kort tid men uppenbarligen har man fattat en del beslut under utvecklingsprocessen för att förkorta utvecklingstiden, inflikar Wassiliadis och Steinsträter fortsätter:

Diagrammen beskriver verkningsgrader från inverter till motor. Tesla Model 3 begränsar momentet upp till 16 km/h, Volkswagen ID.3 är elektroniskt begränsad till 160 km/h. Notera den konstanta verkningsgraden på låga varv hos ID.3 och den konstant högre verkningsgraden hos Model 3.

– Volkswagen har definitivt potentialen att komma ikapp, till exempel genom förkonditionering av batterienheten. Det betyder att även en mer temperaturkänslig batterienhet kan laddas effektivare vid en snabbladdningsstation med adekvat kylning vilket förkortar laddtiden. Den tyska tillverkaren förbereder redan dessa uppgraderingar.

För tillfället är det dock Tesla som drar det längsta strået vid snabbladdaren. Båda bilarna laddas i Ionitynätverket efter att batteriet har tömts helt.

– Våra mätningar har visat att först då är batteritemperaturen identiskt med temperaturen efter förkonditionering, förklarar Wassiliadis. 

Även om Tesla Model 3 endast tillåter den betydligt högre laddeffekten (160 kW) under några minuter talar laddkurvan till amerikanernas fördel.

– En kontinuerligt fallande laddkurva visar att laddningen sker närmare battericellens gräns, fortsätter Wassiliadis.

Teslas Model 3 är producerad i Kina vilket innebär LFP- istället för NMC-celler. Volkswagen ID.3 är en 1st Edition.

Men varför utnyttjar man inte den maximalt möjliga laddeffekten längre? För att skona battericellerna. Dessutom medför högre effekter högre förluster. Medan Tesla Model 3 laddas från 10 till 80 procent på 26 minuter, behöver man 35 minuter i Volkswagen ID.3. Att ladda till 100 procent tar därmed över en timme medan klockan stannar vid 53 minuter för amerikanen.

Även här tillåter Tesla högre temperaturer (500 °C) i bilens litiumjärnfosfatbatteri än tyskarna vars nickelmangankoboltceller får belastas med knappt 450 grader Celsius.

Vad cellerna klarar av, hur snabbt de åldras och när batteripaketet behöver bytas ska utrönas med ytterligare tester vars resultat med all säkerhet kommer att bli extremt spännande.


FRAMTID

För att testa battericellskvaliteten hos VW och Tesla har Münchens Tekniska Universitet införskaffat cellpaket från tillverkarna. Dessa utsätts för en accelererad levnadscykel i labbet, med realistisk påverkan. Så ska man kunna påvisa effekt- och räckviddsförluster över en tidsram på tio år.